Перейти к содержанию

Аксион

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Аксион (A0
 или a)
Состав Элементарная частица
Семья Бозон
Группа Голдстоуновский бозон
Участвует во взаимодействиях Электромагнитное,
гравитационное
Статус Гипотетическая
Масса От 10−18 до 1 МэВ/c2
Каналы распада A0
 → γ + γ
Теоретически обоснована 1977, Роберто Печчеи и Хелен Квинн
Квантовые числа
Электрический заряд 0
Спин 0 ħ
Внутренняя чётность −

Аксио́н (англ. axion от axial + -on[1]) — гипотетическая нейтральная[2] псевдоскалярная элементарная частица, квант поля, постулированного для сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике в 1977 году Роберто Печчеи (R. D. Peccei) и Хелен Квинн (H. R. Quinn)[3][4] (см. Теория Печчеи — Квинн). Аксион должен представлять собой псевдоголдстоуновский бозон, возникающий в результате спонтанного нарушения симметрии Печчеи — Квинн.

Название

Название частице дано Фрэнком Вильчеком[5] по торговой марке стирального порошка[6], так как аксион должен был «очистить» квантовую хромодинамику от проблемы сильного CP-нарушения, а также из-за связи с аксиальным током. Стивен Вайнберг, независимо от Вильчека (но на неделю позже) предположивший[7] существование этих частиц, хотел дать им название «хигглет» (higglet), однако после обсуждения с Вильчеком согласился с «аксионом»[8].

Свойства аксионов

Аксион должен распадаться на два фотона[2], его масса зависит от величины вакуумного ожидания полей Хиггса V как ~1/V. В оригинальной теории Печчеи — Квинн V ~ 100 ГэВ и масса аксиона ~ 100 кэВ, что, однако, противоречит экспериментальным данным по распаду кваркониев — ψ- и Υ-мезонов, состоящих из однотипных кварка и антикварка. В модифицированной в рамках Великого Объединения теории значения V значительно выше, и аксион должен быть очень слабо взаимодействующей с барионным веществом[2] частицей малой массы. Существуют работы, вводящие шкалу масс, связанную с массой аксиона, значительно выше V; это приводит к значительно меньшей константе связи аксиона с другими полями и решает проблему ненаблюдения этой частицы в существующих экспериментах. Широко обсуждаются две модели такого рода. В одной из них вводятся новые кварки, несущие (в отличие от известных кварков и лептонов) заряд Печчеи — Квинн и связанные с так называемым адронным аксионом (или KSVZ-аксионом, аксионом Кима — Шифмана — Вайнштейна — Захарова)[9]. Во второй модели (так называемый GUT-аксион, DFSZ-аксион, или аксион Дайна — Фишлера — Средницкого — Житницкого)[10] отсутствуют дополнительные кварки, все кварки и лептоны несут заряд Печчеи — Квинн и, кроме того, необходимо существование двух хиггсовских дублетов.

Аксион рассматривается как один из кандидатов на роль частиц, составляющих «тёмную материю»[2][11] — небарионную составляющую скрытой массы в космологии.

В течение 2003—2004 годов был выполнен поиск аксионов с массой до 0,02 эВ. Аксионы обнаружить не удалось и был определён верхний предел константы фотон-аксионного взаимодействия [math]\displaystyle{ g_{a\gamma} }[/math] < 1,16⋅10−10 ГэВ−1 [источник не указан 5263 дня].

Астрофизические ограничения на массу аксиона и его константу связи с фотоном получены из наблюдаемой скорости потери энергии звёздами (красными гигантами, сверхновой SN1987A и т. д.). Рождение аксионов в недрах звезды привело бы к её ускоренному охлаждению[12], аналогично процессу нейтринного охлаждения.

Эксперименты по обнаружению

Аксионы, летящие от Солнца, в магнитном поле Земли могут за счёт обратного эффекта Примакова превращаться в фотоны с энергией рентгеновского диапазона. В данных европейского космического рентгеновского телескопа XMM-Newton (Multi Mirror Mission) было обнаружено, что интенсивность рентгеновского излучения, зарегистрированного зондом из области сильного магнитного поля на солнечной стороне Земли, несколько выше сигнала от магнитосферы с теневой стороны планеты. Если учесть все известные источники рентгеновского излучения, то фоновый сигнал должен быть одинаковым из областей с сильным и слабым полем[13]. Один из возможных механизмов нагрева Солнечной короны — излучение Солнцем аксионов или аксионоподобных частиц, которые превращаются в фотоны в областях с сильным магнитным полем[14].

С 2003 г. в ЦЕРНе проводится эксперимент CAST (CERN Axion Solar Telescope)[15] по обнаружению аксионов, предположительно испускаемых вследствие эффекта Примакова разогретой до ~15⋅106 K плазмой солнечного ядра. Детектор основан на обратном эффекте Примакова — превращении аксиона в фотон, индуцированном магнитным полем. Проводятся и другие эксперименты, направленные на поиск потока аксионов, излучаемых ядром Солнца.

Эксперимент ADMX (Axion Dark Matter Experiment)[16][17] проводится в Ливерморской национальной лаборатории (Калифорния, США) с целью поиска аксионов, предположительно образующих невидимое гало нашей Галактики. В этом эксперименте используется сильное магнитное поле для конверсии аксионов в радиочастотные фотоны; процесс усиливается с помощью резонансной полости, настраиваемой на частоты в диапазоне от 460 до 810 МГц, в соответствии с предсказываемой массой аксиона[18].

Авторы эксперимента PVLAS в 2006 заявили про обнаружение двойного лучепреломления и поворота плоскости поляризации света в магнитном поле, что было интерпретировано как возможное возникновение реальных или виртуальных аксионов в пучке фотонов. Однако в 2007 авторы объяснили эти результаты как следствие некоторых неучтённых эффектов в экспериментальной установке [источник не указан 5263 дня].

В настоящее время в ЦЕРНе идёт разработка четвёртого поколения солнечного гелиоскопа IAXO — the International Axion Observatory[19].

В 2014 году астроном британского Университета Лестера Джордж Фрейзер (George Fraser) и его соавторы заявили, что обнаружили косвенные подтверждения существования аксионов в данных космического рентгеновского телескопа XMM-Newton[13].

В 2018 году опубликовано[11] описание эксперимента по обнаружению аксионов за счёт измерения прецессии спина электрона.

В 2020 году учёные Университета Кембриджа (Великобритания) смогли подтвердить ошибочность некоторых разновидностей теории струн, которые предсказывали существование аксионов с определёнными характеристиками. При этом, учёные не исключают вероятности, что могут существовать аксионоподобные частицы с более низкими значениями конвертируемости, остающиеся недоступными для современных методов наблюдения[20].

В июне 2020 года коллаборация XENON сообщила, что в их установке XENON1T в низкоэнергетической (1...30 кэВ) области спектра электронов отдачи было зарегистрировано 285 событий, что на 53 штуки, или на 3,5σ, больше, чем предсказано теорией. Были рассмотрены три возможных объяснения: существование гипотетических солнечных аксионов, наличие у нейтрино магнитного момента 7⋅10-11 μB или загрязнение детектора тритием в ультраследовых количествах. Пока недостаточно данных для однозначного выбора из одного из этих трёх объяснений, обновление эксперимента до XENONnT в будущем должно будет решить эту проблему[21][22].

В январе 2021 было обнаружено жёсткое рентгеновское излучение, исходящее от изолированных нейтронных звёзд знаменитой Великолепной семёрки, источником этого излучения могут быть аксионы, распадающиеся на два фотона в сильных магнитных полях нейтронных звёзд[23].

Примечания

  1. ↑ Dictionary.com, "axion, " in Online Etymology Dictionary. Source: Douglas Harper, Historian. http://dictionary.reference.com/browse/axion Архивная копия от 28 марта 2012 на Wayback Machine. Accessed: February 11, 2012.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Александр Березин. Аксионы, быть может, уже обнаружены. Компьюлента-Онлайн (6 декабря 2013). Дата обращения: 30 декабря 2013. Архивировано 30 декабря 2013 года.
  3. ↑ Peccei R. D., Quinn H. R. CP Conservation in the Presence of Pseudoparticles (англ.) // Physical Review Letters. — 1977. — Vol. 38. — P. 1440—1443. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.38.1440. — Bibcode: 1977PhRvL..38.1440P. [исправить]
  4. ↑ Peccei R. D., Quinn H. R. Constraints imposed by CP conservation in the presence of pseudoparticles // Physical Review D. — 1977. — Vol. 16. — P. 1791—1797. — ISSN 0556-2821. — doi:10.1103/PhysRevD.16.1791. — Bibcode: 1977PhRvD..16.1791P. [исправить]
  5. ↑ Wilczek F. Problem of Strong P and T Invariance in the Presence of Instantons // Physical Review Letters. — 1978. — Vol. 40. — P. 279—282. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.40.279. [исправить]
  6. ↑ Wilczek F. Nobel Lecture: Asymptotic freedom: From paradox to paradigm // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2005. — Vol. 102. — P. 8403—8413. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.0501642102. [исправить];
    Существует русский перевод: Вильчек Ф. А. Асимптотическая свобода: от парадоксов к парадигмам. (Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря 2004 г.) // Успехи физических наук. — 2005. — Т. 175, вып. 12. — С. 1325—1337. — ISSN 0042-1294. — doi:10.3367/UFNr.0175.200512g.1325. [исправить].
    Цитата: «particles, axions. (I named them after a laundry detergent, since they clean up a problem with an axial current.)»
    Перевод: «частиц — аксионов. (Я назвал их в честь моющего средства, поскольку они расчистили проблему с аксиальными токами.)»
  7. ↑ Weinberg S. A New Light Boson? // Physical Review Letters. — 1978. — Vol. 40. — P. 223—226. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.40.223. [исправить]
  8. ↑ Wilczek F. Time’s (Almost) Reversible Arrow // Quanta Magazine. — January 7, 2016.
  9. ↑ J.E. Kim, Phys. Rev. Lett. 43 (1979), p. 103;
    M.A. Shifman, A.I. Vainstein, and V.I. Zakharov, Nucl. Phys. B 166 (1980), p. 493.
  10. ↑ A.R. Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31 (1980), p. 260;
    M. Dine, W. Fischler, and M. Srednicki, Phys. Lett. B 104 (1981), p. 199
  11. ↑ 11,0 11,1 Прецессия спина электрона поможет найти аксионы, 12.07.2018. Дата обращения: 20 июля 2018. Архивировано 20 июля 2018 года.
  12. ↑ http://www.springerlink.com/index/N510QL1R33X37427.pdf (недоступная ссылка) Astrophysical axion bounds. G Raffelt — Axions, 2008 — Springer.
  13. ↑ 13,0 13,1 Ищут давно, но не могут найти Архивная копия от 17 апреля 2015 на Wayback Machine / Владислав Кобычев, Сергей Попов // «Троицкий вариант» № 4 (173), 24 февраля 2015 года
  14. ↑ The enigmatic Sun: a crucible for new physics. Дата обращения: 27 сентября 2014. Архивировано 17 февраля 2015 года.
  15. ↑ Сайт эксперимента CAST (CERN Axion Solar Telescope) (недоступная ссылка). Дата обращения: 2 сентября 2005. Архивировано 15 апреля 2013 года.
  16. ↑ L. D. Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions, Phys. Rev. D 74, 012006 (2006); см. также препринт Архивная копия от 26 июля 2020 на Wayback Machine
  17. ↑ Сайт эксперимента ADMX Архивировано 29 сентября 2006 года.
  18. ↑ Лесли Розенберг. В поисках темноты // В мире науки. — 2018. — № 3. — С. 76—85.
  19. ↑ The International Axion Observatory (IAXO). Дата обращения: 18 апреля 2015. Архивировано 18 апреля 2015 года.
  20. ↑ Подтверждена ошибочность теории струн Архивная копия от 30 ноября 2020 на Wayback Machine // Лента. Ру, 20 марта 2020
  21. ↑ Aprile E. et al. (XENON Collaboration), Observation of Excess Electronic Recoil Events in XENON1T, arΧiv:2006.09721v1. 
  22. ↑ Wolchover, Natalie Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal (англ.). Quanta Magazine (17 июня 2020). Дата обращения: 18 июня 2020. Архивировано 17 июня 2020 года.
  23. ↑ Phys. Rev. Lett. 126, 021102 (2021) - Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars. Дата обращения: 26 января 2021. Архивировано 25 января 2021 года.

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Аксион&oldid=18410842